книги / Автоматизация научных исследований

-контроль и управление экспериментом;

-обработка экспериментальных данных.

Планирование эксперимента в АСНИ-Э осуществляет человекэкспериментатор, который выполняет следующую работу:

-выдвижение гипотез и постановку задачи исследования;

-выбор методов и путей решения задачи;

-контроль за прохождением эксперимента;

-анализ и интерпретация результатов эксперимента;

-корректировка эксперимента;

-выводы и рекомендации;

-поиск направлений дальнейших исследований.

АСНИ-Э обеспечивает:

-настройку и проверку работоспособности экспериментальной установки;

-программное управление ходом эксперимента;

-сбор, индикацию, регистрацию и хранение экспериментальных данных;

- оформление отчетной документации в алфавитно-цифровом

играфическом виде;

-передачу данных в научный центр.

1.6.4.Основные требования

ипринципы построения АСНИ-Э

Для успешного решения задач автоматизации экспериментальных исследований АСНИ-Э должна удовлетворять следующим основным требованиям:

-гибкость структуры технических средств измерения, управле­ ния, обработки и отображения данных;

-удобство и оперативность взаимодействия человека с системой;

-высокая надежность и работоспособность системы;

-малые габариты и стоимость;

-отличное эстетическое оформление.

Чтобы удовлетворить этим требованиям, при посгроении АСНИ-Э необходимо использовать следующие принципы:

-модульность технических средств и программного обеспечения;

-магистратьность связи между модулями (принцип общей шины);

-расширяемость системы по иерархическому принципу;

-стандартизация интерфейса;

-интерактивный (диалоговый) режим системы.

Принципы построения системы взаимосвязаны между собой. Модульность обеспечивает возможность построения систем раз­

личной конфигурации из стандартных модулей технического и про­ граммного обеспечения. Стандартизация интерфейса (сопряжения) между модулями обеспечивает быструю замену устаревших модулей новыми, более совершенными. Применение общей шины позволяет унифицировать связь между модулями, упростить систему и повысить ее надежность, а также обеспечивает возможность изменять и расши­ рять систему. Для расширяемости системы необходимо предусмотреть возможность построения многоуровневой (иерархической) структуры с реализацией на каждом уровне определенного класса задач. С ростом количества уровней трудности создания системы возрастают, так как требуется обеспечить не только функционирование каждого из них в отдельности, но и их взаимное согласование (по функциям, характе­ ристикам, информационным связям).

В АСНИ-Э при распределении функциональных подсистем по ие­ рархическим уровням следует учитывать, что взаимодействие с внеш­ ней средой происходит на нижнем уровне системы, а основная перера­ ботка информации, интерпретация результатов эксперимента и связь с другими системами осуществляются на верхнем уровне. В практике создания АСНИ-Э наибольшее распространение получили двухуров­ невые иерархические структуры, а также одноуровневые автономно функционирующие системы для решения задач автоматизации массо­ вого лабораторного эксперимента.

Интерактивный (диалоговый) режим работы АСНИ-Э обеспечи­ вает возможность быстрого обмена данными между человеком и сис­ темой, что важно при наладке системы и, особенно в аварийных си­ туациях, а также удобно при нормальной эксплуатации системы, когда необходимо скорректировать план эксперимента.

1.6.5. Структуры АСНИ-Э

Создание любой системы начинается с выбора ее структуры. Структура системы определяется взаимосвязью ее элементов. Типо­ выми элементами технических средств АСНИ-Э являются:

- измерительные устройства (ИУ) и системы (ИС) (комплекс из­ мерительных устройств);

- система обработки данных (рис. 1.4);

1 3 I °

<и

Г)

Рис. 1.4

- система управления экспериментом в реальном масштабе вре­ мени (рис. 1.5);

Ж

3

К й

Б S

к о

<DО н

с

о

О

Рис. 1.5

- система автоматизации научных расчетов и моделирования (рис. 1.6);

f

Рис. 1.6

Структура (конфигурация) АСНИ-Э определяется набором ре­ шаемых задач, техническим составом системы и расположением ис­ точников и приемников информации. В классе типовых структур в АСНИ-Э широкое распространение получили следующие:

- узловая структура, когда один центральный элемент (ЦЭ) со­ единяется радиальными индивидуальными линиями с периферийны­ ми элементами (рис 1.7);

- цепочечная магистральная структура, когда информация пере­ дается по цепочке от элемента к элементу (рис. 1.8);

«—О—*о—<3

Рис. 1.8

- магистральная структура с общей шиной, когда все элементы системы подключены к общей шине управления и передачи данных (рис. 1.9);

- иерархическая (многоуровневая) структура, когда элементы расположены на нескольких уровнях, причем элементы нижнего уровня образуют с центральным элементом верхнего уровня узловую (рис. 1.10) или магистральную структуру (рис. 1.11)

-радиальная структура, когда центральный элемент соединяется

сцепочечной (рис. 1.12) или магистральной структурой периферий­ ных элементов (рис. 1.13);

W пэ

Рис. 1.12

Рис. 1.15

- сеточная структура, когда элементы расположены в узлах сети произвольной конфигурации (рис. 1.14) или в узлах прямоугольной сети - матричная структура (рис. 1.15).

1.6.6. Функциональная структура АСНИ-Э

Функциональная структура АСНИ-Э содержит следующие основ­ ные подсистемы: связи с экспериментом, связи с исследователем, ре­ гистрации и хранения экспериментальных данных, экспресс-обра­ ботки экспериментальных данных, обработки информации и приня­ тия решений, хранения и накопления информации, документирования результатов, связи с другими системами.

Подсистема связи с экспериментом обеспечивает поступление в систему информации от датчиков объекта исследования и экспери­ ментального оборудования (в том числе информации о состоянии внешней среды), а также выдачу необходимых управляющих воздей­ ствий на исполнительные органы объекта в соответствии с планом ведения эксперимента.

Подсистема связи с исследователем дает возможность вести авто­ матизированный эксперимент - начинать и останавливать, контроли­ ровать его ход, вносить необходимые коррективы и т.д.

Подсистема регистрации и хранения экспериментальных данных выполняет функции документирования первичной информации о хо­ де эксперимента и буферного хранения экспериментальных данных.

Подсистема экспресс-обработки экспериментальных данных выполняет предварительную обработку поступившей информации

для оперативного предоставления исследователю сведений о ходе эксперимента.

Подсистема обработки информации и принятия решений реализует основные алгоритмы обработки экспериментальных данных, интерпре­ тации результатов эксперимента, его планирования и управления им.

Подсистема хранения и накопления информации выполняет функции «банка данных», в котором сосредоточиваются основные сведения, необходимые для реализации алгоритмов обработки ин­ формации, а также результаты серий экспериментов. В ряде АСНИ она развивается в информационно-справочную подсистему, которая в общем случае входит в состав комплексной системы автоматизации НИ научного центра и осуществляет связь с патентным бюро, научнотехнической библиотекой, справочными фондами научных организа­ ций аналогичного профиля.

Подсистема документирования результатов осуществляет вывод и представляет в требуемых формах результаты обработки экспери­ ментальных данных.

Подсистема связи с другими системами обеспечивает обмен ин­ формацией с АСНИ, функционирующими в научных организациях смежного профиля, и с системами более высокого уровня (например, типа АСУ НИИ).

1.6.7. Основные направления работ по созданию АСНИ-Э

Главные направления, по которым развиваются работы по созда­ нию АСНИ-Э, следующие:

-увеличение быстродействия и производительности систем;

-повышение точности результатов исследований;

-увеличение надежности систем;

-усовершенствование алгоритмов действия аппаратуры и мате­ матического обеспечения ЭВМ, используемых в системах;

-создание измерительной, преобразующей и коммутирующей аппаратуры на новых принципах;

-усовершенствование архитектуры в целях увеличения струк­ турной гибкости систем, обеспечивающей быстрое приспособление

кменяющимся условиям эксперимента.

1.7. Перспективные тенденции развития

работ по автоматизации НИ

Можно выделить следующие перспективные тенденции развития работ по автоматизации НИ:

1. Последовательное расширение и углубление задач автоматизации: а) для применение АСНИ в первую очередь в тех областях науки

итехники, где получение новых результатов невозможно без исполь­ зования средств автоматизации;

б) автоматизация основных этапов НИ (от оперативного плани­ рования и управления экспериментами до перспективного планирова­ ния основных направлений НИ).

2.Тематическая, функциональная и территориальная интеграция при создании АСНИ коллективного пользования:

а) для крупных экспериментальных, исследовательских и опыт­ ных установок в научно-исследовательских и проектных организаци­ ях, высших учебных заведениях, на предприятиях и т.д.;

б) отдельных крупных научно-исследовательских и проектных ор­ ганизаций, проводящих комплексные исследования сложных объектов;

в) взаимосвязанных единой программой работ научных групп, род­ ственных по тематике исследовательских и проектных организаций;

г) территориально объединенных групп исследовательских и про­ ектных организаций, научных центров.

3.Использование при создании АСНИ достижений фундамен­ тальных исследований, в первую очередь вычислительной математи­ ки, математической статистики и теории планирования эксперимента,

атакже результатов, полученных при создании и применении АСУ других классов (АСУТП, САПР и т.д.)

4.Типизация, унификация и стандартизация проектных решений при создании АСНИ на основе соответствующих государственных

имеждународных стандартов для обеспечения максимальной совмес­ тимости технических и программных средств, создания базовых сис­ тем, ориентированных на типовые методики по направлениям наук (проблемно-ориентированных систем).

Унификация аппаратных и программных средств автоматизации за счет расширяющегося применения стандартов.

Внедрение модульных структур организации технического, про­ граммного, информационного и методологического обеспечения АСНИ.

5.Реализация технической базы АСНИ - типовых измерительно­ вычислительных и управляющих комплексов, устройств для расши­ рения комплексов и сопряжения ЭВМ с объектами автоматизации, периферийных устройств - преимущественно на основе перспектив­ ных средств микропроцессорной техники, в наибольшей степени удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к средствам автома­ тизации со стороны объектов автоматизации в данной области.

6.Реализация программного и информационного обеспечения на основе применения поставляемых промышленностью, в том числе стандартных и общеупотребительных, операционных систем реально­ го времени, языков программирования высокого уровня, пакетов при­ кладных программ.

Разработка и использование эффективных по информационным критериям и критериям минимума вычислительных затрат канонизи­ рованных алгоритмов обработки информации, обеспечивающих де­ композицию вычислительного процесса за счет выявления паралле­ лизма в решаемых задачах.

7.Децентрализация функций обработки информации за счет ие­ рархической структуры построения систем. Перенос «центра тяже­ сти» обработки информации на более ранние этапы ее получения.

Оптимизация процедур информационно-измерительного описа­ ния объектов автоматизации, обеспечивающая редукцию входных данных и, как следствие, сокращение вычислительных затрат на этапе первичной обработки информации в АСНИ.

Применение аппаратурных решений наиболее употребительных алгоритмов обработки информации.

8.Интенсивное развитие дисплейной техники и интерактивных методов работы экспериментатора.

Контрольные вопросы

1.Что является результатом НИ?

2.С чего начинается НИ?

3.Что понимается под экспериментальными НИ?